! !!!!!!!!!!!

!Koncepcja zróżnicowanej, rozproszonej, heterogenicznej architektury Inteligentnych Systemów Informatycznych

Autorzy: Sebastian Ernst, Andrzej Firlit, Konrad Kułakowski, Andrzej Rychlicki

!

! !

!Wprowadzenie!Granica możliwości rozwoju energii prosumenckiej często jest utożsamiana z poziomem rozwoju wiedzy technicznej w różnych częściach kraju. Takiej wiedzy która umożliwiała by budowę systemów bardziej efektywnych wspierających wytwarzanie energii z odnawialnych źródeł . Niemniej jednak oprócz możliwości konstrukcji takich systemów, równie ważne jest wsparcie budowy rozproszonego wytwarzania w wymiarach gospodarczym i społecznym .Stąd też wypływa potrzeba umiejscownienia problematyki Inteligentnych Heterogenicznych Systemów Informatycznych, w świadomości przyszłych prosumentów. W szczególności istotne jest określienie ram oraz zakresu takiego systemu oraz z zdefiniowanie oczekiwań przyszłych użytkowników systemu. Temu służy studium wymagań dla takiego systemu. którego elementy zostały zawarte w tym raporcie. Cały raport obejmuje kilka sekcji z których każda skupia się na wybranym aspekcie konstruowanego systemu takim jak np. oświetlenie, instalacja zarządzania budynkiem (BMS), czy system informatyczny. W ramach niektórych tych sekcji zostały wydzielone podmoduły odpowiadające pewnym obszarom funkcjonalnym. Wskazane moduły tworzą całość zamykającą się w specyfikację funkcjonalną heterogenicznej architektury inteligentnego systemu informatycznego pozwalającego mierzyć i zarządzać energią w ramach kampusu AGH. Rozwiązanie to może być również użyte w kontekście większy obszarów infrastrukturalnych takich jak dzielnica, gmina, miasto, czy makroregion. Przejście od zamkniętego obszaru kampusu AGH do obszarów większych odbywać się może poprzez zwiększenie ilości warstw komunikacji i ew. agregacji danych oraz horyzontalną rozbudowę warstwy pomiarowej, natomiast nie powinno wymagać, z uwagi na jego auto-skalowalność, zmiany samego systemu informatycznego. Nie będzie też pociągać za sobą modyfikacji ujętych w raporcie wymagań, które niezależnie od wielkości monitorowanego i zarządzanego obszaru pozostają niezmienne.

!System informatycznySystem informatyczny ma na celu, oprócz testowania i weryfikacji różnych technologii energetycznych i systemów zarządzania energią, realizowanie zadań istotnych z punktu widzenia jego różnych użytkowników/interesariuszy:

λ odbiorca: minimalizacja wydatków, zapewnienie ciągłości i jakości dostaw energii, efektywne wykorzystanie mikrogeneracji, zapewnienie bezpieczeństwa,

λ dystrybutor: zrównoważenie zużycia (wygładzenie charakterystyki), zapewnienie ciągłości dostaw, zapewnienie bezpieczenstwa,

λ producent energii: zapewnienie bezpieczeństwa, efektywne wykorzystanie danych. Główne elementy funkcjonalne zintegrowanego systemu informatycznego dla energetyki to:

λ DMS (Distribution Management System) – system zarządzający dystrybucją energii, obejmujący bieżące działania operacyjne, obsługę zgłoszeń i awarii, rekonfiguacje sieci, monitorowanie i reagowanie na obciążenie,

!

! !λ AMI (Advanced Metering Infrastructure/MDM (Metering Data Management) – systemy

odpowiedzialne za zbieranie, gromadzenie i przetwarzanie (udostępnianie w postaci przetworzonej) danych z inteligentnych liczników, jak również ich sterowanie,

λ AM (Asset Management)/GIS (Geographical Information System) – systemy zarządzania majątkiem sieciowym i analizy geograficznej struktury sieci,

λ CFO (Calculation, Forecasting & Optimization) – systemy służące do prognozowania produkcji energii ze źródeł centralnych i rozproszonych, oraz jej zużycia,

λ CBM (Customer Behavior Management) – innowacyjny system służący do monitorowania i kształtowania zachowań konsumentów w celu optymalizacji zużycia, produkcji i kupna energii elektrycznej.

W kolejnych sekcjach podsumowano zidentyfikowane w ramach badań wstępnych wymagania oraz przypadki użycia dla najważniejszych elementów systemu.

Wymagania dla systemu zarządzania danymi (MDM) !λ Operator przeprowadza analizę zużycia energii na podstawie informacji z liczników. λ Wszystkie dane transmitowane na bieżąco z liczników winny być składowane; należy

zapewnić skalowalność.λ Dane mierzone w zadanym interwale czasu: 15 min. λ Operator przeprowadza analizę danych historycznych z liczników energii. λ Historyczne dane z liczników powinny być przechowywane przez zdefiniowany okres czasu

liczony w latach.λ Składowanie winno być wydajne objętościowo. λ Operator przeprowadza aproksymację/interpolację ewentualnych brakujących danych

pomiarowych z liczników.λ Np. w przypadku braku komunikacji z licznikiem. λ Operator/klient może odczytać w dowolnym momencie chwilowe dane pomiarowe z licznika

na żądanie.λ Wydajny odczyt danych nawet jezeli dokonywany równolegle przez wszystkie

zainteresowane strony: klienci/odbiorcy energiiλ Odczyt natychmiastowy bezpośrednio z urządzenia. λ Klient lub operator odczytuje skumulowane dane dotyczące zużycia energii z konkretnego

licznikaλ Klient lub operator steruje dostawami energii. λ Wyłączenie/włączenie zdalne licznika. λ Klient lub operator zarządza taryfami. λ Aktywacja/dezaktywacja taryf i informowanie o tym fakcie klientów/operatora. λ Łatwy dostęp do danych z licznika dla klienta; zarówno chwilowych, transmitowanych

planowo i historycznych.λ Informowanie za pomocą panelu licznika, panelu zdalnego, odbiornika TV, komputera... λ Klient lub operator może aktywować/dezaktywować urządzeń "przed licznikiem" λ Np. włącz/wyłącz pralkę λ Operator lub klient odczytuje/modyfikuje parametry urządzeń "przed licznikiem" λ Ile czasu pozostało do końca zmywania naczyń.

!

! !λ Klient lub operator odczytuje dane o zużyciu energii z urządzeń "przed licznikiem" λ Ile energii zużywa lodówka, albo infrastruktura sieciowa, oświetleniowa etc. λ Klient lub operator odczytuje skumulowane dane o zużyciu energii z urządzeń "przed

licznikiem" λ Ile energii zużyła lodówka przy określonych kryteriach (np, przedziale czasowym) lodówka,

albo infrastruktura sieciowa, oświetleniowa etc.λ Badanie przepustowośći istniejących rozwiązań IT dla Smart Grid/Metering λ Określanie maksymalnej przepustowości λ Badanie naukowe dot. poszukiwania nowych rozwiązań informatycznych dla Smart Grid/

Meteringλ Certyfikacja systemów IT pod względem zgodności/kompatybilności. λ Certyfikacja systemów IT pod względem wydajności. λ Testbed/laboratorium dla producentów sprzętu i oprogramowania. λ Przeprowadzenie testów IT. λ Badanie/poszukiwanie rozwiązań BigData dla zastosowania do Smart Grid/Metering λ Skalowalność, przepustowość, wydajność objętość danych. λ Analiza dużych wolumenów danych λ Data Mining, klasyfikacja, identyfikacja trendów. λ Dynamiczne wytyczanie taryf. λ Z punktu widzenia różnych graczy: rekomendacje zmiany taryfy dla klienta, wytyczanie

nowych taryf dla producenta/dystrybutora.! Wymagania dla systemu zarządzanie postawą klienta (CBM) !

λ Motywowanie do używania energii poza szczytem. λ Motywowanie do ograniczenia zużycia energii w szczycie. λ Motywowanie do generacji energii, gdy jest na nią zapotrzebowanie i możliwości

dystrybucyjneλ Uwzględniane w bilansie/rozliczeniu energetycznym generacje energii z Odnawialnych Źródeł

Energii.λ Motywacja do wykorzystania OZE. λ Dopasowanie dziennego planu wykorzystania energii do taryfy klienta. λ A priori ("dzisiaj chcę zrobić dwa prania i jedno zmywanie") lub post factum ("to i to mogłeś

zrobić lepiej, przesuwając +2h").λ Bieżące alarmy ponadnormatywnego zużycia energii. λ Typu "chyba zostawiłeś włączony ekspres/światło/żelazko". Realizowane m.in. jako

notyfikacje dla urządzeń mobilnych.λ Rekomendacje dot. wymiany urządzeń końcowych. λ Po określeniu "semantyki" i profilu użycia poszczególnych odbiorników, system jest w stanie

zarekomendować wymianę lodówki, żarówki bądź komputera na bardziej energooszczędne.!!!

!

! !!Wymagania dla systemu symulacji i modelowania (CFO)!

λ Powinien zapewniać eksport i import modelu do dobrze opisanego formatu XML umożliwiającego kontrwalidację modelu w innych narzędziach. Np. obliczenie optymalnego rozpływu w sieci wziętej z modelu w innym narzędziu

λ Powinien integrować się z DMS'em a w szczególności powinno być możliwe: walidacja modelu poprzez symulację oraz zestawienie ze znanym z danych historycznych zachowaniem systemu, walidacja symulacyjna (bisymulacja) on-line. Tj. w raz ze spływaniem kolejnych danych z systemu, Moduł powinien móc rozstrzgnąć czy istnieje taki stan modelu w śród stanów dopuszczalnych, który uzasadniał by otrzymane z realnego systemu dane.

λ Powinien zapewniać wizualizację sieci energetycznej λ Moduł powinien zapewniać możliwość elastycznej symulacji systemu. Tzn powinno łatwo się

dać modyfikować logikę stojącą za wybranymi elementami systemu.!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!

! !

!Inteligentny BMS!Niska publiczna świadomość problematyki energii prosumenckiej może prowadzić do swoistego wykluczenia energetycznego ludzi i podmiotów. By tego uniknąć trzeba przedsięwziąć badania na temat relacji między energetyką a społecznymi przemianami w myśleniu oraz wyborach użytkowników i odbiorców energii”. Dzięki temu będzie można stworzyć wartościowe narzędzia wsparcia strategicznej polityki energetycznej skłaniającej użytkowników między innymi do oszczędzania energii pod wpływem szeregu bodźców ekonomicznych, gry rynkowej i postępu technicznego. W szczególności z naukowego punktu widzenia ciekawym wydaje się przeanalizowanie postaw mieszkańców, badanie stylu życia i działania pojedynczych oraz korporacyjnych konsumentów i to zarówno w kontekście indywidualnym jak i wysp energetycznych. Dzięki takim działaniom będzie możliwe podjęcie oceny wpływu inwestycji energetycznych na społeczności lokalne oraz w skali makroregionu, a także realizowanie działań edukacyjnych skierowanych do różnych grup prosumenckich. Ponad to na bazie wypracowanych metod będzie można działać na rzecz opracowania kompendiów wiedzy dla prosumentów dostarczających informacje o procedurach, procesach, a co najważniejsze korzyściach płynących z inwestowania w zieloną energię.!!Pomieszczenia eksperymentalne !Ponadto w ramach projektowanego rozwiązania przewidziano wydzielenie kilku specjalnych części akademików, które w sposób szczególny będą wyposażone w aparaturę pomiarową i kontrolną. Będzie to najprawdopodobniej około dziesięciu pokoi studenckich rozmieszczonych w dwóch różnych akademikach. Pokoje te będą w szczególności posiadały zamontowane kamery termowizyjne pozwalające dokonywać identyfikacji czynności wykonywanych przez zamieszkujące pokoje osoby, oraz sprawdzać i analizować ich aktualne zachowanie. Rozwiązanie to docelowo służyć wypracowaniu metod konstrukcji systemów, które w sposób automatyczny będą mogły wykrywać np. nagłe niedyspozycje zdrowotne wśród ludzi starszych i chorych, upadki na podłogę i potknięcia, a także w sposób automatyczny adaptować przestrzeń i zachowanie systemu sterowania do zachowania osób znajdujących się w pomieszczeniu. Np. w zależności od zidentyfikowanej osoby oraz charakteru jej czynności może być automatycznie dobierany odpowiedni profil oświetlenia pomieszczenia. Przewidziane w tej części eksperymenty mogą oczywiście ingerować w prywatność osób zamieszkujących stąd też w części dodatkowo wyposażonej w urządzenia sensoryczne mieszkać będą tylko ci studenci, którzy wyrażą zgodę na piśmie do wzięcia udziału w eksperymencie. Oczywiście będą mieli oni pełny wgląd w zbierane i analizowane dane z możliwością wyłączenia pewnych danych z pod analizy całości zespołu projektowego. !!!!

!

! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !Rys. 1 Schemat struktury komunikacyjnej rozwiązania inteligentny BMS!!!!!!!

!

! !!Wymagania dla systemu BMS!

λ System BMS (Building Management System) powinien umożliwiać inteligentną głosową komunikację z użytkownikiem np. użytkownik powinien móc rozkazać zapalić i zgasić światło

λ System BMS powinien umożliwiać inteligentną głosową komunikację z użytkownikiem np. użytkownik powinien móc rozkazać zasunąć rolety, włączyć telewizor itp..

λ System powinien umożliwiać użytkownikowi instalcje swoich własnych aplikacji na system BMS tak by było możliwe płatne i dowolne rozszerzanie funkcjonalności systemu BMS o nowe funkcje. Wszystkie aplikacje muszą przejść proces walidacyjny. Część z nich przygotowywana jest w oparciu o skrypt umożliwiający formalną weryfikację podejmowanych przez aplikację akcji.

λ System powinien umożliwiać użytkownikowi doinstalowanie nowych funkcji takich jak np. budzenie na życzenie za pomocą muzyki w pokoju oraz intensywności oświetlenia.

λ System powinien monitorować postawę osób przebywających w pomieszczeniu, a w sytuacji potencjalnie zagrażającej życiu i zdrowiu włączać alarm. Np. osoba leżąca na podłodze w łazience powinna wzbudzić alarm BMS

λ System BMS powinien ograniczać dostępność dzieciom do miejsc potencjalnie niebezpiecznych. Np. osoba o wzroście do 120 cm nie może zbliżać się do kuchni elektrycznej jeśli pobór energii kuchni jest nie zerowy, osoba o wzroście do 120 cm nie może przebywać sama w łazience dłużej niż wyznaczony okres czasu itd. Każde takie zachowanie powinno wzbudzać odpowiedni alarm, a system komunikatem głosowym powinien poprosić zainteresowane osoby/dziecko o zmianę swojego miejsca przebywania w domu

λ System BMS powinien komunikować się z użytkownikami głosowo, w języku odpowiednim dla mieszkańca. Np. witać, żegnać, informować o stanie systemu. W szczególności powinien reagować na proste komendy głosowe takie jak zapal światło. (Coś ala Siri w iOS6)

λ System powinien posiadać wiedzę o obecności osób we wszystkich pomieszczeniach a np. w sytuacji pożaru dowódzca akcji ratowniczej powinien móc otrzymać pełną informację (ostatnią zarejestrowaną przez system) o ilości i lokalizacji osób

λ System BMS powinien integrować się z urządzeniami mobilnymi za pomocą dostępnych protokołów takich jak BT, WiFi. Powinny być możliwe do zrealizowania następujące scenariusze: komunikacja z CBMem za pomocą smartfona, sterowanie infrastrukurą budynkową za pomocą smartfona.

λ Akcje podejmowane przez Smart BMS powinny być spójne np. jeśli jest włączone ogrzewanie to nie działa klimatyzacja i nie jest otwarte okno, jeśli działa klimatyzacja to nie działa ogrzewanie itp.

λ Oświetlenie powinno współdziałać z aktywnością mieszkańca tj. jeśli w nocy mieszkaniec wstaje z łóżka i idzie do łazienki, oświetlenie powinno oświetlić mu drogę samoczynnie

λ System BMS powinien monitorować temperature osób znajdujących się w pomieszczeniu. W przypadku gdy temperatura ciała jest podwyższona, powinien o tym informować lokatora, ew podejmować inne konieczne akcje.

!

! !λ System Smart BMS powinien tworzyć statyczną sieć sensoryczną i udostępniać dane w

otwartym formacie systemom trzecim. Powinno dać się zrealizować szczegółowe scenariusze polegające na sterowaniu robotem mobilnym z wykorzystaniem już zainstalowanych czujników w pomieszczeniu. Np. assisted robotics wózek inwalidzki/balkonik samobieżny który potrafi znaleźć i w autonomiczny sposób podjechać do osoby potrzebującej. Dalej, osoba zamieszkująca pomieszczenie powinna móc z poziomu inteligentnego BMS'u kontrolować zrobotyzowane wyposażenie pomieszczenia takie jak, autonomiczny odkurzacz, autonomiczy sprzęt "assisted robotics", samoreorganizujące się wyposarzenie pomieszczenia itp.

λ System BMS powinien być nadzorowany przez operatora, który będzie mógł przejąć pełną kontrolę nad systemem. W przypadku awari czujnika temperatury w lecie powinien móc wyłączyć grzanie budynku itp..

λ System BMS powinien być móc awaryjnie lokalnie i globalnie wyłączony w przypadku dużej awarii systemu (wyłącznik bezpieczeństwa) dostępny zarówno dla administratora jak i dla uzytkownika (mieszkańca). System zamiast chłodzić grzeje co przy upalnym lecie grozić może zepsuciem instalacji.

λ System BMS powinien potrafić kontrolować czystość pomieszczeń, które znajdują się pod jego kontrolą. (Na tej podstawie mogą być regulowane rachunki z firmą sprzątającą). Jednym z rozwiązań jest integracja z robotem inspekcyjnym monitorującym czystość pomieszczeń.

λ System BMS powinien móc realizować różne scenariusze konsumpcji energii: tryb minimum, tryb alarmowy (pożar) tryb oszczędny, tryb normalny. W trybie minimum powinno być zapewnione bezpieczeństwo budynku (np. temperatura pomieszczeń dodatna w zimie - ujemna grozi uszkodzeniem instalacji grzewczych itp.). W trybie oszczędnym jest zapewnione bezpieczeństwo budynku i ludzi. W trybie normalnym jest zapewnione bezpieczeństwo i komfort ludzi itp.

λ System BMS dostarcza preagregowane dane o ilości i jakości energii do systemu DMS (ang. Demand Management System, zwykle gotowy komponent takiego system, o dobrze zdefiniowanej funkcjonalności, do kupienia u różnych dostawców). W szczególności, skoro logika optymalizacji konsumpcji energii znajduje się na poziomie DMS (CBM - ang. Customer Behavior Management) to i odwrotnie DMS dostarcza dane optymalizacyjne do systemu BMS. Np. przekazuje propozycje strategii oszczędnościowych poszczególnym użytkownikom systemu, w zamian za realizację których mogą oni potem otrzymać upust/rabat itp.

λ BMS umożliwia systemowi DMS dostęp do urządzeń AMI i OZE znajdujących się pod jego częściową kontrolą. Powinien też być możliwy do zrealizowania taki przypadek: DMS zleca systemowi BMS przejście w tryb wyspy energetycznej. W takiej sytuacji BMS przejmuje kontrolę na podsystemami OZE (zaczyna wykorzystywać aktywnie odczyty z AMI) i zaczyna zachowywać się autonomicznie informując tylko DMS o aktualnym statusie.

λ System BMS powinien wspierać inwentaryzację i geolokalizację budynków, pomieszczeń i środków trwałych. Powinien być do zrealizowania przypadek użycia polegalący na tworzeniu odpowiednich raportów na różnych poziomach szczegółowości a propos środków trwałych: kierownik jednostki dostaje predefiniowanych raport po kliknięciu odpowiedniego guzika na stronie.

λ Mieszkaniec akademika może zalogować się do systemu, oraz sprawdzić, aktualny poziom kosumpcji energii

!

! !λ Mieszkaniec akademika może zalogować się do systemu, oraz sprawdzić dane historyczne,

przeczytać sugestie dotyczące możliwych strategi oszczędzania energiiλ Mieszkaniec akademika może zalogować się do systemu, oraz dokonać optymalizacji

zużywanej energii np. poprzez przystąpienie do proponowanego programu oszczędnościowego!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!

! !

!System Kontrolno-Pomiarowy!Energia elektryczna dostarczana jest do Miasteczka Studenckiego AGH za pomocą 7 stacji transformatorowych średniego napięcia SN. W stacjach dokonywana jest transformacja napięcia z 15kV na 0,4kV za pomocą 10 transformatorów SN/nN. W wybranych punkach planowana jest instalacja czterech analizatorów i czterech liczników pozwalających na monitorowanie dostarczanej/generowanej energii elektrycznej oraz jakości energii elektrycznej. Przyrządy pomiarowe oraz dedykowany do ich obsługi system pomiarowy powinien być kompatybilny z przyrządami i systemem pomiarowym dedykowanym do pomiarów na poziomie niskiego napięcia nN. Analizatory jakości energii elektrycznej powinny być klasy A zgodnie z normą PN EN 61000-4-30 edycja 2 oraz powinny umożliwiać pomiar co najmniej takiego zbioru parametrów jaki wynika z wymagań zwartych w normie PN-EN 50160 oraz Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dn. 04.05.2007 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Mierniki obok pomiaru energii czynnej i biernej powinny również umożliwiać pomiar następujących wielkości: napięcie, prąd, częstotliwość, współczynnik THD dla napięcia i prądu, współczynniki mocy. Powinny posiadać klasą dokładności min. 0,5. Powinny mieć interfejs RS485 oraz możliwość wyposażenia ich w moduł pozwalający na zdalną komunikację za pomocą sieci internetowej.!Wymagania dla systemu kontrolno-pomiarowego!

λ Mierniki obok pomiaru energii czynnej i biernej powinny również umożliwiać pomiar następujących wielkości:

napięcie, natężenie prądu, częstotliwość, współczynnik THD dla napięcia i prądu, współczynniki mocy.

λ Zainstalowane mierniki powinny posiadać klasę dokładności min. 0,5, być wyposażone w interfejs RS485 oraz mieć możliwość wyposażenia ich w moduł pozwalający na zdalną komunikację za pomocą sieci internetowej.

λ Wszystkie urządzenia pomiarowe powinny być spięte siecią internetową zapewniającą niezawodną transmisję danych pomiarowych.!

!!!!!

!

! !

!System Oświetleniowy!Wymagania dla systemu oświetleniowego !

λ Oprawa oświetleniowa powinna mieć możliwość odczytania wartości podstawowych parametrów elektrycznych (natężenie i napięcie po stronie pierwotnej i wtórnej zasilacza LED, współczynnik kompensacji, moc) oraz fizycznych (odczyt temperatury złącza półprzewodnikowego Tc) - bardzo istotny aspekt stabilizacji Tc w zmiennych warunkach pogodowych - parametr krytyczny dla właściwej pracy oprawy LED

λ Oprawa oświetleniowa powinna umieć wykryć ruch w swoim otoczeniu i zareagować, dostosowując poziom nateżenia oświetlenia

λ System powinien agregowac dane pochodzace z warstwy telemetrycznej (np. radiowe czujniki ruchu) i podejmować decyzje o rozświetleniu odpowiedniej podgrupy opraw oświetleniowych w celu bezpiecznego rozprowadzenia ruchu pieszego/motorowego

λ Poszczególna oprawa powinna przejsc w autonomiczny tryb sterowania w przypadku zaniku komunikacji z warstwa nadrzędna

λ System powinien pozwalać na realizacje dynamicznych efektów świetlnych na szczególne potrzeby np. Juwenalia

λ System powinien dostosowywać nateżenie oświetlenia do pomierzonego nateżenia ruchu/ ilosci osób zgodnie z polską normą

λ System powinien zapewniać dwukierunkową komunikację między oprawą/grupą opraw i operatorem systemu

λ System powinien posiadać nakładkę graficzną wizualizującą rozmieszczenie opraw oświetleniowych oraz ich stan

λ Aplikacja do zarządzania systemem oświetleniowym: aktualizacja/optymalizacja algorytmów. Odpytywanie oraz przekazywanie komend oprawom oświetleniowym !

!